肖雷雷，宛文宇，吳浩洋，劉紅旗(中海油服油技塘沽作業(yè)公司，天津 300450)

0 引言

在隨鉆測(cè)井作業(yè)中，雙向通訊供電短節(jié)起著信號(hào)傳輸和雙向供電的重要作用，其中的泥漿信號(hào)遙傳系統(tǒng)能夠?qū)⒕缕渌麅x器采集的關(guān)鍵信號(hào)傳輸至地面檢查裝置，在鉆進(jìn)的過(guò)程中獲取鉆具工程值和評(píng)估數(shù)據(jù)，用于分析并提高鉆井效率，攻克更多復(fù)雜的井況。

對(duì)信號(hào)傳輸這個(gè)過(guò)程，在行業(yè)內(nèi)普遍存在兩種理論且各有利弊：第一是利用從0～10 Hz的低頻脈沖而形成的離散信號(hào)，這種低頻離散信號(hào)能夠在地面更容易探測(cè)接收，但會(huì)受限于傳輸速率，一般會(huì)小于10 bps，BCPM1使用的就是這種形式[1]；第二種是利用高頻脈沖來(lái)產(chǎn)生連續(xù)信號(hào)，速率會(huì)提高很多，但由于使用的頻段不同會(huì)增加探測(cè)接收的難度，在advantage操作系統(tǒng)和BCPM2脈沖器的加持下，得以實(shí)現(xiàn)并廣泛應(yīng)用于各地石油勘探行業(yè)中。

1 設(shè)備介紹

BCPM2雙向通訊供電短節(jié)為貝克休斯公司開(kāi)發(fā)的一款全新泥漿信號(hào)遙傳系統(tǒng)，通訊時(shí)利用高速率脈沖器編碼泥漿脈沖信號(hào)，以鉆桿內(nèi)部空間為傳輸通道，將井下各設(shè)備測(cè)得的數(shù)據(jù)向上傳遞。同時(shí)在井口處設(shè)有泥漿波檢測(cè)傳感器進(jìn)行解碼運(yùn)算降噪解調(diào)，從而獲得有價(jià)值的井下數(shù)據(jù)。當(dāng)需要向井下儀器下達(dá)命令時(shí)，同樣在井口的BPA裝置通過(guò)編碼控制面板來(lái)改變循環(huán)泥漿壓力，傳達(dá)到井下后使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生規(guī)律性變化，通過(guò)主控的邏輯運(yùn)算而將命令獲得，實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程的半雙工傳輸[2]。整個(gè)儀器以鉆桿為基體設(shè)計(jì)，各個(gè)控制電路板模塊化封裝，上下兩端為T(mén)2專(zhuān)利扣型，并配有M30單芯通訊連接環(huán)，采用OFDM通訊技術(shù)，具有較好的抗多徑衰落能力且方便多用戶(hù)掛接。同時(shí)內(nèi)部具有斷路保護(hù)器，在消除過(guò)載后能夠恢復(fù)通路，也同時(shí)具備對(duì)井眼與環(huán)空壓力、溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

在儀器本體表面可觀(guān)察到有兩個(gè)接口，較大一個(gè)為診斷口，在使用該接口時(shí)需要連接貝克休斯公司開(kāi)發(fā)的TDI面板，該面板可提供140 V的直流電用于脈沖器旋轉(zhuǎn)供電及脈沖測(cè)試。同時(shí)，在車(chē)間脈沖器需要刻度時(shí)，扳動(dòng)疊閥正反兩個(gè)方向最大角度需要的能量也由TDI面板提供。在儀器內(nèi)部，低壓電源轉(zhuǎn)換板將140 V直流電轉(zhuǎn)換成總線(xiàn)上的33 V電壓，以供給整個(gè)儀器各功能板運(yùn)轉(zhuǎn)。另一個(gè)較小的為數(shù)據(jù)口，使用該接口時(shí)既可連接TDI面板也可使用TCS面板，目的是將首尾M30端及總線(xiàn)接口建立通訊以供地面檢查使用，同時(shí)用于下載儀器內(nèi)存數(shù)據(jù)，觀(guān)察各部分使用情況。儀器內(nèi)存大小為128 MB，64 MB為207 h的診斷數(shù)據(jù)，剩下64 MB為105個(gè)觸發(fā)事件的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。診斷數(shù)據(jù)包含馬達(dá)控制、儀器主控等，為連續(xù)的5 Hz數(shù)據(jù)，測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)受中斷事件影響，例如：溫度、壓力和地面下傳指令，存儲(chǔ)滿(mǎn)后會(huì)覆蓋寫(xiě)入。儀器車(chē)間保養(yǎng)好后，需要將兩接口部位認(rèn)真檢查，確認(rèn)插針清潔完好及O圈安裝正確，并按規(guī)定扭矩安裝固定螺絲，以防下井泥漿灌入導(dǎo)致故障。儀器上，兩個(gè)接口背面為壓力監(jiān)測(cè)模塊，用于測(cè)量井眼壓力和環(huán)空壓力，維保注意檢查及定期刻度。

渦輪發(fā)電機(jī)：發(fā)電機(jī)整體采用重新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)而增強(qiáng)其機(jī)械性能，雙渦輪雙導(dǎo)輪的布局使得其最大輸出功率能達(dá)到1 000 W，最高耐溫150 ℃，耐壓172.4 MPa。內(nèi)部流道設(shè)計(jì)耐沖蝕，同時(shí)大大降低了在使用堵漏材料時(shí)的遇堵幾率。本體主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分構(gòu)成，定子包括機(jī)座、定子鐵芯、電樞繞組、磁力耦合等幾部分。定子鐵芯固定在機(jī)座里，其內(nèi)圓表面沖有均勻分布的槽，定子槽內(nèi)對(duì)稱(chēng)嵌放著參數(shù)相同的三組繞組，每組為一項(xiàng)，共為三相對(duì)稱(chēng)繞組，法線(xiàn)方向也互成120°。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯周?chē)鶆蚯度霃?qiáng)力永磁鐵，且轉(zhuǎn)子頂部連接有磁力耦合器，能將渦輪旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力同步耦合，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳輸。整個(gè)發(fā)電機(jī)的輸出電壓隨著渦輪轉(zhuǎn)速的變化而變化，將此交流電壓引入儀器內(nèi)部整流板進(jìn)而實(shí)現(xiàn)直流電的供應(yīng)。同時(shí)，監(jiān)測(cè)三相繞組其中一相的頻率，也可實(shí)現(xiàn)地面所下達(dá)指令的獲得。

高速率脈沖器：BCPM2脈沖器采用疊閥結(jié)構(gòu)，最大開(kāi)合角度為±12°，在其內(nèi)部為一最大功率630 W的電動(dòng)機(jī)，直驅(qū)控制疊閥的開(kāi)合，所能提供的最大扭力為15 Nm，并且內(nèi)部注有SHC-524液壓油，起到潤(rùn)滑降溫的作用[3]。通過(guò)調(diào)整定子轉(zhuǎn)子之間的間隙，可以更好地控制堵漏材料的容差值與信號(hào)質(zhì)量，具有很高的信號(hào)調(diào)制與編碼能力，最高脈寬可達(dá)40 bps。在切換到NRZ高速率連續(xù)波模式時(shí)，其工作編碼產(chǎn)生的脈沖示意圖如圖1所示。

圖1 脈沖器疊閥動(dòng)作與產(chǎn)生脈沖對(duì)應(yīng)圖

2 故障判斷

現(xiàn)有的BCPM2儀器作業(yè)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)人員時(shí)常反映儀器遇堵，脈沖器無(wú)法工作現(xiàn)象，從而造成作業(yè)難度加大，降低工作效率，嚴(yán)重時(shí)甚至取消作業(yè)。為解決這一故障，儀器返回車(chē)間后，進(jìn)行逐步排查，總結(jié)發(fā)現(xiàn)是堵漏材料影響了脈沖器的正常工作。

車(chē)間檢查工控機(jī)上使用Advantage下的Tool Manager軟件，用來(lái)與儀器及脈沖器建立通訊，確認(rèn)脈沖傳輸軟件版本及脈沖響應(yīng)設(shè)置情況。同時(shí)可用于下載及初始化內(nèi)存數(shù)據(jù)，并檢查儀器內(nèi)部斷路開(kāi)關(guān)保護(hù)器的設(shè)置情況。

儀器第一次遇堵時(shí)，車(chē)間故障排查，絕緣檢查沒(méi)問(wèn)題，上電測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)電流增大，進(jìn)一步查看為脈沖器閥體全部塞滿(mǎn)堵漏材料，無(wú)法自由旋轉(zhuǎn)從而引起的電流增大問(wèn)題。另一串儀器第二次遇堵故障，返回車(chē)間拆開(kāi)發(fā)現(xiàn)為堵漏材料中的小顆粒球被夾緊在定子與轉(zhuǎn)子之間，兩次故障可定義為同一問(wèn)題所致。

根據(jù)形狀不同，堵漏材料可以分為3種形式：纖維、片狀物、顆粒。雖然堵漏材料有優(yōu)質(zhì)、中等、低端之分，但實(shí)際鑒定起來(lái)并沒(méi)有明確的標(biāo)準(zhǔn)，每一種材料都有不同的尺寸，而且每個(gè)操作人員也會(huì)根據(jù)不同的尺寸來(lái)命名不同材料。不同的泥漿配比或者泥漿中含有堵漏材料時(shí)都會(huì)影響儀器的性能。

3 原理分析

在實(shí)際工作現(xiàn)場(chǎng)，運(yùn)用堵漏材料進(jìn)行作業(yè)時(shí)，推薦流量要高于儀器的最小關(guān)斷點(diǎn)。地面使用“BCPM2停發(fā)脈沖并打開(kāi)疊閥”下傳命令，這個(gè)下傳命令會(huì)停止井下儀器的脈沖器工作并且強(qiáng)制將疊閥打開(kāi)到最大位置，如圖2所示。相比于儀器下電狀態(tài)，此時(shí)堵漏材料流過(guò)脈沖器時(shí)，會(huì)有更大的空間，有利于流通。這種狀態(tài)下，脈沖器停止，沒(méi)有數(shù)據(jù)上傳到地面，因此這種工作模式只適用在不需要上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的時(shí)候。

圖2 上電時(shí)命令疊閥開(kāi)啟最

如果流量要低于儀器的最小關(guān)斷點(diǎn)，此時(shí)儀器斷電不工作(下電狀態(tài))，脈沖器疊閥回到起始位置，疊閥停留在中間半開(kāi)半合的狀態(tài)，如圖3所示，這就意味著堵漏材料流過(guò)的區(qū)域減小了50%，增加了遇堵的幾率。

圖3 斷電時(shí)疊閥停在起始位置

如果泥漿中配比直徑為1.3～3.2 mm的堵漏材料，這些顆粒就可能會(huì)卡在渦輪和導(dǎo)輪之間，這樣會(huì)導(dǎo)致渦輪轉(zhuǎn)速的丟失或者完全被卡死。因此，如果想用這種堵漏材料，操作時(shí)應(yīng)該增大流量到5 00l pm以上，已確保渦輪有充足的動(dòng)力去轉(zhuǎn)動(dòng)。

如果BCPM2儀器已經(jīng)工作，而且疊閥在有堵漏材料的狀態(tài)下發(fā)脈沖，這時(shí)應(yīng)該將疊閥關(guān)閉狀態(tài)的角度設(shè)置在10°以下(最大關(guān)閉角度為12°)，使其不會(huì)完全關(guān)閉，給堵漏材料預(yù)留出通過(guò)的縫隙。另外在編碼類(lèi)型上，盡量選擇NRZ模式，相比于其他模式不容易被堵。

車(chē)間BCPM2儀器脈沖器間隙量設(shè)置的是1.6 mm，所以在應(yīng)用堵漏材料時(shí)，材料直徑要盡量小于這個(gè)數(shù)值，便于正常工作。另外，在脈沖器發(fā)射脈沖期間，疊閥會(huì)有一個(gè)長(zhǎng)達(dá)2 s的關(guān)閉狀態(tài)，在提前設(shè)置儀器的時(shí)候，一定要將DRP角度設(shè)定在一個(gè)比較低的數(shù)值(例如3°，如圖4所示)，不然堵漏材料就會(huì)卡住疊閥(DRP角度在TIP儀器或者downlink下傳命令時(shí)可以設(shè)定)。

圖4 DRP角度設(shè)置為+3°時(shí)與設(shè)置為+12°時(shí)對(duì)比圖

4 結(jié)語(yǔ)

分析過(guò)后，如果泥漿中含有遇堵材料，想要降低脈沖器遇堵的風(fēng)險(xiǎn)，可以從以下三方面入手：

在執(zhí)行downlink下傳命令時(shí)，首先將流量調(diào)至儀器最小關(guān)斷點(diǎn)之上，并且足夠滿(mǎn)足downlink需求，然后下達(dá)“停止脈沖，閥開(kāi)最大”命令，完成后，再降低流量，但要保持在儀器最小關(guān)斷點(diǎn)之上，然后泵入堵漏材料，后將堵漏材料循環(huán)出鉆桿，此過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)會(huì)有操作流程。

循環(huán)泥漿中含有堵漏材料，同時(shí)需要上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，流量開(kāi)到可以滿(mǎn)足downlink需求，在地面解碼狀態(tài)好的前提下，盡量將DRP角度減到最小，使脈沖器能夠正常工作，之后可以加大排量。

最后，操作人員與維保車(chē)間討論，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需求決定是否需要重新設(shè)定脈沖器疊閥間隙而減少遇堵幾率。